HETEROTIC GROUP FORMATION IN PSIDIUM GUAJAVA L. BY ARTIFICIAL NEURAL NETWORK AND DISCRIMINANT ANALYSIS

ABSTRACT The present study aimed at evaluating the heterotic group formation in guava based on quantitative descriptors and using artificial neural network (ANN). For such, we evaluated eight quantitative descriptors. Large genetic variability was found for the eight quantitative traits in the 138 genotypes of guava. The artificial neural network technique determined that the optimal number of groups was three. The grouping consistency was determined by linear discriminant analysis, which obtained classification percentage of the groups, with a value of 86 %. It was concluded that the artificial neural network method is effective to detect genetic divergence and heterotic group formation.

Generalization transitions in Hidden-Layer neural networks for third-order feature discrimination

Stochastic learning processes for a specific feature detector are studied. This technique is applied to nonsmooth multilayer neural networks requested to perform a discrimination task of order 3 based on the ssT-block¿ssC-block problem. Our system proves to be capable of achieving perfect generalization, after presenting finite numbers of examples, by undergoing a phase transition. The corresponding annealed theory, which involves the Ising model under external field, shows good agreement with Monte Carlo simulations.

Evaluation of thermorregulatory capacity of dairy buffaloes using infrared thermography

ABSTRACT The objective of this study was to evaluate the thermoregulatory response of dairy buffaloes in pre-milking and post-milking. To identify animal thermoregulatory capacity, skin surface temperatures were taken by an infrared thermometer (SST), a thermographic camera (MTBP) as well as respiratory rate records (RR). Black Globe and Humidity Index (BGHI), radiating thermal load (RTL) and enthalpy (H) were used to characterize the thermal environment. Artificial Neural Networks analyzed those indices as well as animal physiological data, using a single layer trained with the least mean square (LMS) algorithm. The results indicated that pre-milking and post-milking environments reached BGHI, RR, SST and MTBP values above thermal neutrality zone for buffaloes. In addition, limits of surface skin temperatures were mostly influenced by changing ambient conditions to the detriment of respiratory rates. It follows that buffaloes are sensitive to environmental changes and their skin temperatures are the best indicators of thermal comfort in relation to respiratory rate.

Spatial modeling techniques for mapping and characterization of acid sulfate soils

Acid sulfate (a.s.) soils constitute a major environmental issue. Severe ecological damage results from the considerable amounts of acidity and metals leached by these soils in the recipient watercourses. As even small hot spots may affect large areas of coastal waters, mapping represents a fundamental step in the management and mitigation of a.s. soil environmental risks (i.e. to target strategic areas). Traditional mapping in the field is time-consuming and therefore expensive. Additional more cost-effective techniques have, thus, to be developed in order to narrow down and define in detail the areas of interest. The primary aim of this thesis was to assess different spatial modeling techniques for a.s. soil mapping, and the characterization of soil properties relevant for a.s. soil environmental risk management, using all available data: soil and water samples, as well as datalayers (e.g. geological and geophysical). Different spatial modeling techniques were applied at catchment or regional scale. Two artificial neural networks were assessed on the Sirppujoki River catchment (c. 440 km2) located in southwestern Finland, while fuzzy logic was assessed on several areas along the Finnish coast. Quaternary geology, aerogeophysics and slope data (derived from a digital elevation model) were utilized as evidential datalayers. The methods also required the use of point datasets (i.e. soil profiles corresponding to known a.s. or non-a.s. soil occurrences) for training and/or validation within the modeling processes. Applying these methods, various maps were generated: probability maps for a.s. soil occurrence, as well as predictive maps for different soil properties (sulfur content, organic matter content and critical sulfide depth). The two assessed artificial neural networks (ANNs) demonstrated good classification abilities for a.s. soil probability mapping at catchment scale. Slightly better results were achieved using a Radial Basis Function (RBF) -based ANN than a Radial Basis Functional Link Net (RBFLN) method, narrowing down more accurately the most probable areas for a.s. soil occurrence and defining more properly the least probable areas. The RBF-based ANN also demonstrated promising results for the characterization of different soil properties in the most probable a.s. soil areas at catchment scale. Since a.s. soil areas constitute highly productive lands for agricultural purpose, the combination of a probability map with more specific soil property predictive maps offers a valuable toolset to more precisely target strategic areas for subsequent environmental risk management. Notably, the use of laser scanning (i.e. Light Detection And Ranging, LiDAR) data enabled a more precise definition of a.s. soil probability areas, as well as the soil property modeling classes for sulfur content and the critical sulfide depth. Given suitable training/validation points, ANNs can be trained to yield a more precise modeling of the occurrence of a.s. soils and their properties. By contrast, fuzzy logic represents a simple, fast and objective alternative to carry out preliminary surveys, at catchment or regional scale, in areas offering a limited amount of data. This method enables delimiting and prioritizing the most probable areas for a.s soil occurrence, which can be particularly useful in the field. Being easily transferable from area to area, fuzzy logic modeling can be carried out at regional scale. Mapping at this scale would be extremely time-consuming through manual assessment. The use of spatial modeling techniques enables the creation of valid and comparable maps, which represents an important development within the a.s. soil mapping process. The a.s. soil mapping was also assessed using water chemistry data for 24 different catchments along the Finnish coast (in all, covering c. 21,300 km2) which were mapped with different methods (i.e. conventional mapping, fuzzy logic and an artificial neural network). Two a.s. soil related indicators measured in the river water (sulfate content and sulfate/chloride ratio) were compared to the extent of the most probable areas for a.s. soils in the surveyed catchments. High sulfate contents and sulfate/chloride ratios measured in most of the rivers demonstrated the presence of a.s. soils in the corresponding catchments. The calculated extent of the most probable a.s. soil areas is supported by independent data on water chemistry, suggesting that the a.s. soil probability maps created with different methods are reliable and comparable.

Method for automatic detection of wheezing in lung sounds

The present report describes the development of a technique for automatic wheezing recognition in digitally recorded lung sounds. This method is based on the extraction and processing of spectral information from the respiratory cycle and the use of these data for user feedback and automatic recognition. The respiratory cycle is first pre-processed, in order to normalize its spectral information, and its spectrogram is then computed. After this procedure, the spectrogram image is processed by a two-dimensional convolution filter and a half-threshold in order to increase the contrast and isolate its highest amplitude components, respectively. Thus, in order to generate more compressed data to automatic recognition, the spectral projection from the processed spectrogram is computed and stored as an array. The higher magnitude values of the array and its respective spectral values are then located and used as inputs to a multi-layer perceptron artificial neural network, which results an automatic indication about the presence of wheezes. For validation of the methodology, lung sounds recorded from three different repositories were used. The results show that the proposed technique achieves 84.82% accuracy in the detection of wheezing for an isolated respiratory cycle and 92.86% accuracy for the detection of wheezes when detection is carried out using groups of respiratory cycles obtained from the same person. Also, the system presents the original recorded sound and the post-processed spectrogram image for the user to draw his own conclusions from the data.

Artificial neural network models for predicting 1-year mortality in elderly patients with intertrochanteric fractures in China

The mortality rate of older patients with intertrochanteric fractures has been increasing with the aging of populations in China. The purpose of this study was: 1) to develop an artificial neural network (ANN) using clinical information to predict the 1-year mortality of elderly patients with intertrochanteric fractures, and 2) to compare the ANN's predictive ability with that of logistic regression models. The ANN model was tested against actual outcomes of an intertrochanteric femoral fracture database in China. The ANN model was generated with eight clinical inputs and a single output. ANN's performance was compared with a logistic regression model created with the same inputs in terms of accuracy, sensitivity, specificity, and discriminability. The study population was composed of 2150 patients (679 males and 1471 females): 1432 in the training group and 718 new patients in the testing group. The ANN model that had eight neurons in the hidden layer had the highest accuracies among the four ANN models: 92.46 and 85.79% in both training and testing datasets, respectively. The areas under the receiver operating characteristic curves of the automatically selected ANN model for both datasets were 0.901 (95%CI=0.814-0.988) and 0.869 (95%CI=0.748-0.990), higher than the 0.745 (95%CI=0.612-0.879) and 0.728 (95%CI=0.595-0.862) of the logistic regression model. The ANN model can be used for predicting 1-year mortality in elderly patients with intertrochanteric fractures. It outperformed a logistic regression on multiple performance measures when given the same variables.

Pretraining Convolutional Neural Networks for Visual Recognition

Convolutional Neural Networks (CNN) have become the state-of-the-art methods on many large scale visual recognition tasks. For a lot of practical applications, CNN architectures have a restrictive requirement: A huge amount of labeled data are needed for training. The idea of generative pretraining is to obtain initial weights of the network by training the network in a completely unsupervised way and then fine-tune the weights for the task at hand using supervised learning. In this thesis, a general introduction to Deep Neural Networks and algorithms are given and these methods are applied to classification tasks of handwritten digits and natural images for developing unsupervised feature learning. The goal of this thesis is to find out if the effect of pretraining is damped by recent practical advances in optimization and regularization of CNN. The experimental results show that pretraining is still a substantial regularizer, however, not a necessary step in training Convolutional Neural Networks with rectified activations. On handwritten digits, the proposed pretraining model achieved a classification accuracy comparable to the state-of-the-art methods.

Modelling the colour difference by artificial neural network

This thesis work studies the modelling of the colour difference using artificial neural network. Multilayer percepton (MLP) network is proposed to model CIEDE2000 colour difference formula. MLP is applied to classify colour points in CIE xy chromaticity diagram. In this context, the evaluation was performed using Munsell colour data and MacAdam colour discrimination ellipses. Moreover, in CIE xy chromaticity diagram just noticeable differences (JND) of MacAdam ellipses centres are computed by CIEDE2000, to compare JND of CIEDE2000 and MacAdam ellipses. CIEDE2000 changes the orientation of blue areas in CIE xy chromaticity diagram toward neutral areas, but on the whole it does not totally agree with the MacAdam ellipses. The proposed MLP for both modelling CIEDE2000 and classifying colour points showed good accuracy and achieved acceptable results.

Sequential Machine learning Approaches for Portfolio Management

Cette thèse envisage un ensemble de méthodes permettant aux algorithmes d'apprentissage statistique de mieux traiter la nature séquentielle des problèmes de gestion de portefeuilles financiers. Nous débutons par une considération du problème général de la composition d'algorithmes d'apprentissage devant gérer des tâches séquentielles, en particulier celui de la mise-à-jour efficace des ensembles d'apprentissage dans un cadre de validation séquentielle. Nous énumérons les desiderata que des primitives de composition doivent satisfaire, et faisons ressortir la difficulté de les atteindre de façon rigoureuse et efficace. Nous poursuivons en présentant un ensemble d'algorithmes qui atteignent ces objectifs et présentons une étude de cas d'un système complexe de prise de décision financière utilisant ces techniques. Nous décrivons ensuite une méthode générale permettant de transformer un problème de décision séquentielle non-Markovien en un problème d'apprentissage supervisé en employant un algorithme de recherche basé sur les K meilleurs chemins. Nous traitons d'une application en gestion de portefeuille où nous entraînons un algorithme d'apprentissage à optimiser directement un ratio de Sharpe (ou autre critère non-additif incorporant une aversion au risque). Nous illustrons l'approche par une étude expérimentale approfondie, proposant une architecture de réseaux de neurones spécialisée à la gestion de portefeuille et la comparant à plusieurs alternatives. Finalement, nous introduisons une représentation fonctionnelle de séries chronologiques permettant à des prévisions d'être effectuées sur un horizon variable, tout en utilisant un ensemble informationnel révélé de manière progressive. L'approche est basée sur l'utilisation des processus Gaussiens, lesquels fournissent une matrice de covariance complète entre tous les points pour lesquels une prévision est demandée. Cette information est utilisée à bon escient par un algorithme qui transige activement des écarts de cours (price spreads) entre des contrats à terme sur commodités. L'approche proposée produit, hors échantillon, un rendement ajusté pour le risque significatif, après frais de transactions, sur un portefeuille de 30 actifs.

Understanding deep architectures and the effect of unsupervised pre-training

Cette thèse porte sur une classe d'algorithmes d'apprentissage appelés architectures profondes. Il existe des résultats qui indiquent que les représentations peu profondes et locales ne sont pas suffisantes pour la modélisation des fonctions comportant plusieurs facteurs de variation. Nous sommes particulièrement intéressés par ce genre de données car nous espérons qu'un agent intelligent sera en mesure d'apprendre à les modéliser automatiquement; l'hypothèse est que les architectures profondes sont mieux adaptées pour les modéliser. Les travaux de Hinton (2006) furent une véritable percée, car l'idée d'utiliser un algorithme d'apprentissage non-supervisé, les machines de Boltzmann restreintes, pour l'initialisation des poids d'un réseau de neurones supervisé a été cruciale pour entraîner l'architecture profonde la plus populaire, soit les réseaux de neurones artificiels avec des poids totalement connectés. Cette idée a été reprise et reproduite avec succès dans plusieurs contextes et avec une variété de modèles. Dans le cadre de cette thèse, nous considérons les architectures profondes comme des biais inductifs. Ces biais sont représentés non seulement par les modèles eux-mêmes, mais aussi par les méthodes d'entraînement qui sont souvent utilisés en conjonction avec ceux-ci. Nous désirons définir les raisons pour lesquelles cette classe de fonctions généralise bien, les situations auxquelles ces fonctions pourront être appliquées, ainsi que les descriptions qualitatives de telles fonctions. L'objectif de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension du succès des architectures profondes. Dans le premier article, nous testons la concordance entre nos intuitions---que les réseaux profonds sont nécessaires pour mieux apprendre avec des données comportant plusieurs facteurs de variation---et les résultats empiriques. Le second article est une étude approfondie de la question: pourquoi l'apprentissage non-supervisé aide à mieux généraliser dans un réseau profond? Nous explorons et évaluons plusieurs hypothèses tentant d'élucider le fonctionnement de ces modèles. Finalement, le troisième article cherche à définir de façon qualitative les fonctions modélisées par un réseau profond. Ces visualisations facilitent l'interprétation des représentations et invariances modélisées par une architecture profonde.

On Recurrent and Deep Neural Networks

L'apprentissage profond est un domaine de recherche en forte croissance en apprentissage automatique qui est parvenu à des résultats impressionnants dans différentes tâches allant de la classification d'images à la parole, en passant par la modélisation du langage. Les réseaux de neurones récurrents, une sous-classe d'architecture profonde, s'avèrent particulièrement prometteurs. Les réseaux récurrents peuvent capter la structure temporelle dans les données. Ils ont potentiellement la capacité d'apprendre des corrélations entre des événements éloignés dans le temps et d'emmagasiner indéfiniment des informations dans leur mémoire interne. Dans ce travail, nous tentons d'abord de comprendre pourquoi la profondeur est utile. Similairement à d'autres travaux de la littérature, nos résultats démontrent que les modèles profonds peuvent être plus efficaces pour représenter certaines familles de fonctions comparativement aux modèles peu profonds. Contrairement à ces travaux, nous effectuons notre analyse théorique sur des réseaux profonds acycliques munis de fonctions d'activation linéaires par parties, puisque ce type de modèle est actuellement l'état de l'art dans différentes tâches de classification. La deuxième partie de cette thèse porte sur le processus d'apprentissage. Nous analysons quelques techniques d'optimisation proposées récemment, telles l'optimisation Hessian free, la descente de gradient naturel et la descente des sous-espaces de Krylov. Nous proposons le cadre théorique des méthodes à région de confiance généralisées et nous montrons que plusieurs de ces algorithmes développés récemment peuvent être vus dans cette perspective. Nous argumentons que certains membres de cette famille d'approches peuvent être mieux adaptés que d'autres à l'optimisation non convexe. La dernière partie de ce document se concentre sur les réseaux de neurones récurrents. Nous étudions d'abord le concept de mémoire et tentons de répondre aux questions suivantes: Les réseaux récurrents peuvent-ils démontrer une mémoire sans limite? Ce comportement peut-il être appris? Nous montrons que cela est possible si des indices sont fournis durant l'apprentissage. Ensuite, nous explorons deux problèmes spécifiques à l'entraînement des réseaux récurrents, à savoir la dissipation et l'explosion du gradient. Notre analyse se termine par une solution au problème d'explosion du gradient qui implique de borner la norme du gradient. Nous proposons également un terme de régularisation conçu spécifiquement pour réduire le problème de dissipation du gradient. Sur un ensemble de données synthétique, nous montrons empiriquement que ces mécanismes peuvent permettre aux réseaux récurrents d'apprendre de façon autonome à mémoriser des informations pour une période de temps indéfinie. Finalement, nous explorons la notion de profondeur dans les réseaux de neurones récurrents. Comparativement aux réseaux acycliques, la définition de profondeur dans les réseaux récurrents est souvent ambiguë. Nous proposons différentes façons d'ajouter de la profondeur dans les réseaux récurrents et nous évaluons empiriquement ces propositions.

The use of artificial intelligence algorithms to guide surgical treatment of adolescent idiopathic scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tri-dimensionelle du rachis. Son traitement comprend l’observation, l’utilisation de corsets pour limiter sa progression ou la chirurgie pour corriger la déformation squelettique et cesser sa progression. Le traitement chirurgical reste controversé au niveau des indications, mais aussi de la chirurgie à entreprendre. Malgré la présence de classifications pour guider le traitement de la SIA, une variabilité dans la stratégie opératoire intra et inter-observateur a été décrite dans la littérature. Cette variabilité s’accentue d’autant plus avec l’évolution des techniques chirurgicales et de l’instrumentation disponible. L’avancement de la technologie et son intégration dans le milieu médical a mené à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle informatiques pour aider la classification et l’évaluation tridimensionnelle de la scoliose. Certains algorithmes ont démontré être efficace pour diminuer la variabilité dans la classification de la scoliose et pour guider le traitement. L’objectif général de cette thèse est de développer une application utilisant des outils d’intelligence artificielle pour intégrer les données d’un nouveau patient et les évidences disponibles dans la littérature pour guider le traitement chirurgical de la SIA. Pour cela une revue de la littérature sur les applications existantes dans l’évaluation de la SIA fut entreprise pour rassembler les éléments qui permettraient la mise en place d’une application efficace et acceptée dans le milieu clinique. Cette revue de la littérature nous a permis de réaliser que l’existence de “black box” dans les applications développées est une limitation pour l’intégration clinique ou la justification basée sur les évidence est essentielle. Dans une première étude nous avons développé un arbre décisionnel de classification de la scoliose idiopathique basé sur la classification de Lenke qui est la plus communément utilisée de nos jours mais a été critiquée pour sa complexité et la variabilité inter et intra-observateur. Cet arbre décisionnel a démontré qu’il permet d’augmenter la précision de classification proportionnellement au temps passé à classifier et ce indépendamment du niveau de connaissance sur la SIA. Dans une deuxième étude, un algorithme de stratégies chirurgicales basé sur des règles extraites de la littérature a été développé pour guider les chirurgiens dans la sélection de l’approche et les niveaux de fusion pour la SIA. Lorsque cet algorithme est appliqué à une large base de donnée de 1556 cas de SIA, il est capable de proposer une stratégie opératoire similaire à celle d’un chirurgien expert dans prêt de 70% des cas. Cette étude a confirmé la possibilité d’extraire des stratégies opératoires valides à l’aide d’un arbre décisionnel utilisant des règles extraites de la littérature. Dans une troisième étude, la classification de 1776 patients avec la SIA à l’aide d’une carte de Kohonen, un type de réseaux de neurone a permis de démontrer qu’il existe des scoliose typiques (scoliose à courbes uniques ou double thoracique) pour lesquelles la variabilité dans le traitement chirurgical varie peu des recommandations par la classification de Lenke tandis que les scolioses a courbes multiples ou tangentielles à deux groupes de courbes typiques étaient celles avec le plus de variation dans la stratégie opératoire. Finalement, une plateforme logicielle a été développée intégrant chacune des études ci-dessus. Cette interface logicielle permet l’entrée de données radiologiques pour un patient scoliotique, classifie la SIA à l’aide de l’arbre décisionnel de classification et suggère une approche chirurgicale basée sur l’arbre décisionnel de stratégies opératoires. Une analyse de la correction post-opératoire obtenue démontre une tendance, bien que non-statistiquement significative, à une meilleure balance chez les patients opérés suivant la stratégie recommandée par la plateforme logicielle que ceux aillant un traitement différent. Les études exposées dans cette thèse soulignent que l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle dans la classification et l’élaboration de stratégies opératoires de la SIA peuvent être intégrées dans une plateforme logicielle et pourraient assister les chirurgiens dans leur planification préopératoire.

AN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK FOR SONAR TARGET DETECTION

Neural Network has emerged as the topic of the day. The spectrum of its application is as wide as from ECG noise filtering to seismic data analysis and from elementary particle detection to electronic music composition. The focal point of the proposed work is an application of a massively parallel connectionist model network for detection of a sonar target. This task is segmented into: (i) generation of training patterns from sea noise that contains radiated noise of a target, for teaching the network;(ii) selection of suitable network topology and learning algorithm and (iii) training of the network and its subsequent testing where the network detects, in unknown patterns applied to it, the presence of the features it has already learned in. A three-layer perceptron using backpropagation learning is initially subjected to a recursive training with example patterns (derived from sea ambient noise with and without the radiated noise of a target). On every presentation, the error in the output of the network is propagated back and the weights and the bias associated with each neuron in the network are modified in proportion to this error measure. During this iterative process, the network converges and extracts the target features which get encoded into its generalized weights and biases.In every unknown pattern that the converged network subsequently confronts with, it searches for the features already learned and outputs an indication for their presence or absence. This capability for target detection is exhibited by the response of the network to various test patterns presented to it.Three network topologies are tried with two variants of backpropagation learning and a grading of the performance of each combination is subsequently made.

Neural Network based studies on Spectroscopic Analysis and Image Processing

International School of Photonics, Cochin University of Science and Technology

A Comparative Study of Wavelet Based Feature Extraction Techniques in Recognizing Isolated Spoken Words

Speech is a natural mode of communication for people and speech recognition is an intensive area of research due to its versatile applications. This paper presents a comparative study of various feature extraction methods based on wavelets for recognizing isolated spoken words. Isolated words from Malayalam, one of the four major Dravidian languages of southern India are chosen for recognition. This work includes two speech recognition methods. First one is a hybrid approach with Discrete Wavelet Transforms and Artificial Neural Networks and the second method uses a combination of Wavelet Packet Decomposition and Artificial Neural Networks. Features are extracted by using Discrete Wavelet Transforms (DWT) and Wavelet Packet Decomposition (WPD). Training, testing and pattern recognition are performed using Artificial Neural Networks (ANN). The proposed method is implemented for 50 speakers uttering 20 isolated words each. The experimental results obtained show the efficiency of these techniques in recognizing speech